CRMed：母亲孕期高棕榈酸水平如何导致子代先天性心脏病高风险

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2023年2月21日，上海交通大学附属新华医院赵健元、孙锟合作团队及合作者在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Reports Medicine在线发表题为“Gestational palmitic acid suppresses embryonic GATA-binding protein 4 signaling and causes congenital heart disease”的研究论文。该项研究发现母亲孕期高棕榈酸水平与子代先天性心脏病风险上升相关。孕期高棕榈酸通过提高同型半胱氨酸化修饰（homocysteinylation, Hcy）抑制心脏发育关键转录因子GATA4的转录因子活性，进而导致心脏发育异常，抑制同型半胱氨酸化修饰则可预防棕榈酸诱导的先心病的发生。

先天性心脏病（先心病）是最常见的出生缺陷，全球先心病发病率约8‰-12‰，每年约有130万的先心病患儿出生。在我国，每年有约10-15万先心病新生儿出生，尤其是随着“二孩”和“三孩”政策全面实施后，预计因高龄、高危孕妇比例增加等原因，先心病在很长一个时期内可能维持高发甚至上升趋势，给社会和家庭造成巨额疾病经济负担。孕期营养状况是影响胚胎发育的重要因素之一。既往人群和动物模型研究发现，母体脂质代谢异常、肥胖、高脂饮食摄入等均会增加子代先心病的发生率，具体机制尚不明确。同型半胱氨酸（Hcy）是先心病的独立风险因素，赵健元研究团队前期系列研究成果阐述了Hcy代谢异常及同型半胱氨酸化修饰（K-Hcy）诱发先心病的机理[1, 2]。叶酸可降低Hcy的水平，孕期补服叶酸被广泛应用于预防出生缺陷的发生，然而先心病的发生率仍呈逐年上升趋势，叶酸不应答人群的干预措施亟待发掘。本项目从临床样本入手，利用动物模型和细胞实验，阐述了孕期高棕榈酸诱发先心病的分子机制，建立了脂质代谢异常与先心病发病的内在联系，并为叶酸不应答人群预防先心病发生提供了潜在策略。

孕期棕榈酸水平升高与子代先心病风险上升相关

为研究脂质代谢异常与先心病的关系，研究人员收集了正常对照、孕有室间隔缺损（VSD）和房间隔缺损（ASD）患儿的母亲孕早期血清各16例，使用GC-FID/MS对脂肪酸进行定量分析，发现总脂肪酸含量在先心病患儿母亲血清中显著上升，其中棕榈酸、硬脂酸、油酸和亚油酸水平的与先心病发生呈正相关关系。为确定是哪种脂肪酸诱导了心脏发育异常，作者使用上述脂肪酸饲喂孕鼠，并统计其子代先心病的发病情况。实验结果显示，高棕榈酸饲喂的子代出现了明显ASD和VSD表型，而其他脂肪酸饲喂的子代则未观察到先心病的表型，提示棕榈酸是导致心脏发育异常的致病代谢物。

棕榈酸通过NF-κB激活MARS转录，并提高K-Hcy修饰

在动物模型中确认了棕榈酸致畸效果后，作者进一步探究棕榈酸导致心脏发育异常的具体机制。该研究团队先前研究发现高脂饮食会导致甲硫氨酰tRNA合成酶MARS和K-Hcy修饰水平的上升，但机制尚未阐明，因此猜测高脂饮食中含量丰富的棕榈酸可能是关键信号分子。作者检测了孕期高棕榈酸饲喂的子代小鼠心脏组织，发现MARS和K-Hcy水平相较于对照组均显著上升；细胞实验中发现棕榈酸处理可以以时间和浓度依赖性增加MARS的mRNA和蛋白表达，提高细胞整体K-Hcy修饰水平。值得注意的是，上述现象无法被叶酸处理所逆转，叶酸可以降低Hcy水平，但却无法抑制MARS的转录激活，因此棕榈酸提高K-Hcy水平无法被叶酸抑制，这可能是临床上叶酸不应答的潜在原因之一。通过分析MARS基因启动子上转录因子结合序列，结合已报道的响应棕榈酸的细胞内信号通路，作者发现NF-κB通路可被棕榈酸激活，磷酸化的NF-κB p65可结合于MARS启动子区域并激活MARS基因转录，在高棕榈酸小鼠模型的子代小鼠心脏中，也检测到了NF-κB通路的激活。

MARS催化GATA4发生K-Hcy修饰，抑制其转录因子活性

作者接下来探究K-Hcy的上升如何导致心脏发育异常。作者通过筛选发现心脏发育关键的转录因子GATA4与MARS存在相互作用，MARS结合GATA4并催化其K300位点发生K-Hcy修饰，该位点位于其锌指结构域附近，K-Hcy的存在抑制了GATA4结合DNA的能力，其转录因子活性受到抑制。作者进一步通过位点突变等实验证实棕榈酸提高GATA4 K300位点的K-Hcy修饰，抑制GATA4转录因子活性，抑制了其靶基因导致了心脏发育阶段基因表达的紊乱。

抑制K-Hcy缓解孕期高棕榈酸的致畸效果

基于MARS在棕榈酸致畸作用中发挥重要功能，作者评估抑制MARS是否可缓解棕榈酸的致畸效果。在细胞层面，作者使用了K-Hcy修饰的抑制剂N-乙酰半胱氨酸（NAC），发现其可抑制棕榈酸导致的K-Hcy修饰上升，降低GATA4的K-Hcy修饰水平并提高其转录因子活性；动物层面，作者构建了Mars杂合敲除小鼠，发现Mars杂合敲除可降低孕期高棕榈酸饲喂母鼠后代的先心病发生率，孕期NAC饲喂也具有类似的缓解效果。以上结果共同提示了MARS及K-Hcy修饰是先心病的干预新靶点。

总结

研究人员通过分析正常对照和孕有先心病患儿的母亲血清，发现棕榈酸与子代先心病具有强相关性，进而通过高脂肪酸饲喂孕鼠模型证实了棕榈酸具有致子代心脏发育异常的作用。机制方面，棕榈酸通过激活NF-κB p65增加了甲硫氨酰tRNA合成酶MARS的转录。MARS与心脏发育关键转录因子GATA4结合，催化其K300位点发生同型半胱氨酸化修饰（K-Hcy），该位点位于其锌指结构域附近，抑制了GATA4与DNA的结合能力，从而抑制了其转录活性，导致了胚胎心脏发育异常。研究人员还发现，使用K-Hcy修饰的抑制剂N-乙酰半胱氨酸（NAC）可抑制MARS催化K-Hcy修饰的活性，恢复GATA4的转录因子活性，在小鼠模型中NAC可降低高棕榈酸孕鼠子代先心病的发生率（图1）。该研究建立了脂肪酸信号与转录因子活性的联系，为研究代谢重编程促进先心病等出生缺陷发生的分子机理奠定了基础，也为发展基于营养代谢调控的先心病干预新手段提供了新方向。

图1. 研究内容概要

本文参考文献：

1. Wang, Dan et al. “Colonic Lysine Homocysteinylation Induced by High-Fat Diet Suppresses DNA Damage Repair.” Cell reports vol. 25,2 (2018): 398-412.e6. doi:10.1016/j.celrep.2018.09.022

2. Mei, Xinyu et al. “Inhibiting MARSs reduces hyperhomocysteinemia-associated neural tube and congenital heart defects.” EMBO molecular medicine vol. 12,3 (2020): e9469. doi:10.15252/emmm.201809469

作者介绍

赵健元

研究员

现任上海交通大学医学院附属新华医院研究员，博士生导师，新华医院心血管发育与再生医学研究所、先天性心脏病诊治技术与器械教育部工程研究中心、环境与儿童健康教育部和上海市重点实验室的研究组长。担任国家卫生健康委员会新生儿疾病重点实验室学术委员。2015年、2017年和2021年分别获得科技部863青年科学家专题、国家自然基金委优秀青年基金和上海市优秀学科带头人项目资助。赵博士主要从事先天性心脏病的分子机制研究，团队从代谢调控信号转导和表观修饰这一视角出发，先后揭示维生素、糖、脂和氨基酸等代谢失调诱发先心病的分子机制，以通讯/一作发表SCI论文47篇，引用2600余次，成果多次获Circulation、JCI、TRENDS系列杂志等专文评述。

孙锟

主任医师

主任医师，二级教授，博士生导师，国务院特殊津贴专家，现任上海交通大学医学院附属新华医院院长。担任国家教委重点学科-儿科学-学科带头人，任第十八届中华医学会儿科分会候任主委，第十六届亚太小儿心血管学会主席，《中华儿科杂志》副总编。孙锟教授长期从事先天性心脏病和宫内儿科疾病的基础和临床研究，在先心病和宫内儿科疾病的临床诊治方面做出杰出贡献。先后承担30余项科研项目，迄今共发表第一或通讯作者论文206篇，其中SCI收录70篇，国家专利9项，专家共识3项。先后获得20余项教学及学术研究奖项，包括上海市科学技术进步一等奖、中国康复医学会科学技术一等奖、上海市领军人才、宋庆龄儿科医学奖、教育部科技进步奖等。

▌论文标题：

Gestational palmitic acid suppresses embryonic GATA-binding protein 4 signaling and causes congenital heart disease

▌论文网址：

https://www.cell.com/cell-reports-medicine/fulltext/S2666-3791(23)00045-9

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2023.100953

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